CN111568429A - 动物实验的虚拟现实系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动物实验的虚拟现实系统及方法，其中，系统包括：本地驱动模块，用于将刺激作用于实验动物；本地信息采集模块，用于采集实验动物的生理和行为状态；移动驱动模块，用于驱动移动平台的运动；移动信息采集模块，用于采集周围信号；服务器模块，用于根据实验动物的生理和行为状态生成移动驱动模块的控制指令，以驱动移动平台的运动，并且根据周围信号生成本地驱动模块的控制指令，以将刺激作用于实验动物。根据本发明实施例的系统，创建了一种有效、快速的固定动物的行为学实验范式；能够经济高效地扩展现有测量仪器的功能，具有实现行动小鼠高精度生理参数测量的能力。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，特别涉及一种动物实验的虚拟现实系统及方法。
背景技术
研究动物在自然环境下的行为方式是生命科学的重要目标。然而，随着生命科学的飞速发展，大量在体测试指标都只能通过实验室的大型仪器获得，难以模拟动物生长的自然环境。以显微镜为例，大多数生命科学研究使用的荧光显微镜重达几十公斤到上百公斤，并且只能对固定的实验动物成像。这样的仪器显然难以应用到自然环境中。
相关技术中，为了观测自然环境中的动物行为的神经科学机制，目前有两种方法：一种是将现有的实验仪器小型化，例如头戴式的迷你光学显微镜可以用于研究小鼠的社交等行为；另一种是利用虚拟现实技术，使用电脑程序模拟实验动物的实验环境，在虚拟环境中实现迷宫等实验范式。
然而，上述自然环境中的动物观测方法具有各自缺陷：小型化实验设备往往会降低实验仪器的性能，无法充分利用实验仪器的优势；基于电脑程序的虚拟现实技术只能实现几个固定的动物实验，且难以和真实世界中的实验进行对照。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种动物实验的虚拟现实系统，该系统可以经济高效地扩展现有测量仪器的功能，具有实现行动小鼠高精度生理参数测量的能力。
本发明的另一个目的在于提出一种动物实验的虚拟现实方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种动物实验的虚拟现实系统，包括：本地驱动模块，用于将刺激作用于实验动物；本地信息采集模块，用于采集所述实验动物的生理和行为状态；移动驱动模块，用于驱动移动平台的运动；移动信息采集模块，用于采集周围信号；服务器模块，用于根据所述实验动物的生理和行为状态生成所述移动驱动模块的控制指令，以驱动所述移动平台的运动，并且根据所述周围信号生成所述本地驱动模块的控制指令，以将刺激作用于所述实验动物。
本发明实施例的动物实验的虚拟现实系统，通过本地端和移动端的实时通信，创建了一种有效、快速的固定动物的行为学实验范式；能够经济高效地扩展现有测量仪器的功能，具有实现行动小鼠高精度生理参数测量的能力。
另外，根据本发明上述实施例的动物实验的虚拟现实系统还可以具有以下附加的技术特征：
可选地，在本发明的一个实施例中，所述本地信息采集模块包括：姿态摄像头，用于记录所述动物不同部位的姿态信息和面部表情信息；第一麦克风，用于记录所述动物发出的声音信息；运动记录装置，用于记录所述动物的运动轨迹；显微镜和神经电极，用于记录所述动物的神经元信号；触觉记录装置，用于记录所述动物舌头接触位置。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述本地驱动模块包括：显示器，用于给予所述动物视觉刺激；扬声器，用于给予所述动物听觉刺激；电击装置和触觉反馈装置，用于给予所述动物触觉刺激；味觉反馈装置，用于给予所述动物味觉刺激。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述移动驱动模块包括：智能小车平台，用于按照所述动物的运动轨迹移动所述移动平台；扬声器，用于对外界播放所述动物的发出声音。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述移动信息采集模块包括：摄像机，用于记录所述移动平台周围环境视频信息；第二麦克风，用于记录所述移动平台周围环境声音信息；至少一个传感器，用于记录所述移动平台周围环境的环境信息；单片机，用于处理所述视频信息、所述声音信息和所述环境信息。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种动物实验的虚拟现实方法，采用如上述的系统，其中，方法包括以下步骤：采集实验动物的生理和行为状态；根据所述实验动物的生理和行为状态生成所述移动驱动模块的控制指令，以驱动所述移动平台的运动；采集周围信号；根据所述周围信号生成所述本地驱动模块的控制指令，以将刺激作用于所述实验动物。
本发明实施例的动物实验的虚拟现实方法，通过本地端和移动端的实时通信，创建了一种有效、快速的固定动物的行为学实验范式；能够经济高效地扩展现有测量仪器的功能，具有实现行动小鼠高精度生理参数测量的能力。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的动物实验的虚拟现实系统的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的动物实验的虚拟现实系统的构成示意图；
图3根据本发明一个实施例的动物实验的虚拟现实系统的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的动物实验的虚拟现实系统的原理示意图；
图5根据本发明一个实施例的动物实验的虚拟现实方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的动物实验的虚拟现实系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的动物实验的虚拟现实系统。
图1为根据本发明实施例的动物实验的虚拟现实系统的结构示意图。
如图1所示，该动物实验的虚拟现实系统包括：本地信息采集模块10、移动驱动模块20、移动信息采集模块30和本地驱动模块40。
具体地，本地驱动模块40，用于将刺激作用于实验动物。
可以理解的是，本地驱动模块20用于接收服务器模块接收到移动信息采集数据后转化的指令，将刺激作用于实验动物。
可选地，在本发明的一个实施例中，结合图2和图3所示，本地驱动模块40包括：显示器41、扬声器42、电击装置43、触觉反馈装置44、味觉反馈装置45。
其中，显示器41，用于给予动物视觉刺激。
扬声器42，用于给予动物听觉刺激。
电击装置43和触觉反馈装置44，用于给予动物触觉刺激。
味觉反馈装置45，用于给予动物味觉刺激。
具体而言，显示器41如平板电脑、笔记本电脑、手机或者电脑显示器或三维显示装置，以给予实验动物视觉刺激。扬声器42的频率响应应尽可能覆盖本地实验平台的声音频率谱，以给予实验动物听觉刺激。电击装置43可作用于实验动物的尾部，触觉反馈装置44可以采用气流反馈设备或金属杆反馈设备，或者可采用气泵和空气阀，并可选择触觉刺激给予的区域，以给予实验动物的触觉刺激。味觉反馈装置45可采用不同成分的液滴，以给予实验动物的味觉刺激。需要说明的是，本发明实施例的装置皆可采用零个、一个或者多个，即有本领域人员根据实际情况进行设置，在此不作具体限制。
另外，本地端设备可采用数据采集卡进行同步。
本地信息采集模块10，用于采集实验动物的生理和行为状态。
可以理解的是，本地信息采集模块用于采集并记录实验动物的生理和行为状态，以传输给服务器模块。
可选地，在本发明的一个实施例中，结合图2和图3所示，本地信息采集模块10包括：姿态摄像头11、第一麦克风12、运动记录装置13、显微镜和/或神经电极14、触觉记录装置15。
其中，姿态摄像头11，用于记录动物不同部位的姿态信息和面部表情信息。
第一麦克风12，用于记录动物发出的声音信息。
运动记录装置13，用于记录动物的运动轨迹。
显微镜和/或神经电极14，用于记录动物的神经元信号。
触觉记录装置15，用于记录动物舌头接触位置。
具体而言，姿态摄像头11如黑白摄像头或者彩色摄像头，或者常规二维相机或者深度相机，以记录动物不同部位的姿态信息和面部表情信息。麦克风12的频率响应应尽可能覆盖实验动物的听觉频率谱，以记录动物发出的声音信息。运动记录装置13如导航球，以记录动物的运动轨迹，又或者可使用球形物体和光电位移记录器，球形物体可使用水漂浮或者空气悬浮的泡沫球，从而光电位移记录器可使用鼠标，再例如可使用摄像机和光滑平面；摄像机拍摄实验动物足部信息，经计算机分析后获得运动轨迹。。显微镜和神经电极14，以记录动物的神经元信号，其中，显微镜与神经电极14中，显微镜可使用荧光显微体视显微镜，神经电极可以测量神经电信号，也可以给予电信号的刺激。触觉记录装置15，用于记录实验动物舌头接触位置，其中，触觉记录装置15可利用实验动物和金属杆45之间的电容改变判断实验动物舌头的位置，或者触觉记录装置15可利用采用摄像机拍摄判断实验动物舌头的位置。需要说明的是，本发明实施例的装置皆可采用零个、一个或者多个，即有本领域人员根据实际情况进行设置，在此不作具体限制。
移动驱动模块20，用于驱动移动平台的运动。
可以理解的是，移动驱动模块40用于接收服务器模块接收本地信息采集数据后转化的指令，将指令作用于移动平台。
可选地，在本发明的一个实施例中，结合图2和图3所示，移动驱动模块20包括：智能移动平台21、扬声器22。
其中，智能小车平台21，用于按照动物的运动轨迹移动移动平台。
扬声器22，用于对外界播放动物的发出声音。
具体而言，智能小车平台21可采用智能机器人平台，其可以根据指令以要求的速度前进、后退或转向，又或者可采用无人机平台，以按照实验动物的运动轨迹移动移动端平台。扬声器22的频率响应应尽可能覆盖实验动物发出频率谱，以对外界播放实验动物的发出声音。
移动信息采集模块30，用于采集周围信号。
可以理解的是，移动信息采集模块30用于接收周围信号，并传输给服务器模块。
可选地，在本发明的一个实施例中，结合图2和图3所示，移动信息采集模块30包括：摄像机31、第二麦克风32、单片机和其他传感器33。
其中，摄像机31，用于记录移动平台周围环境视频信息。
第二麦克风32，用于记录移动平台周围环境声音信息。
至少一个传感器，用于记录移动平台周围环境的环境信息。
单片机，用于处理视频信息、声音信息和环境信息。
具体而言，摄像机31，可选用黑白摄像头或者彩色摄像头，或者可选用二维摄像头或者深度摄像头，以记录移动端平台周围环境视频信息。麦克风32的频率响应应尽可能覆盖移动端实验平台周围的声音频率谱，以记录移动端平台周围环境视频信息。其他传感器33如包含碰撞传感器，以记录移动端平台周围环境的其他信息。单片机如树莓派主板，用于处理以上传感器的信息。
服务器模块，用于根据实验动物的生理和行为状态生成移动驱动模块20的控制指令，以驱动移动平台的运动，并且根据周围信号生成本地驱动模块40的控制指令，以将刺激作用于实验动物。
可以理解的是，服务器模块用于收集、处理和传输其他各模块的信息或指令。
下面以一个具体实施例对本发明实施例的系统的工作原理进行详细描述。
如图4所示，本发明实施例的系统的工作原理里包括：
步骤S1：本地信息采集模块10采集并记录实验动物的生理和行为状态，传输给服务器模块。
其中，可选地，姿态摄像头11记录实验动物的姿态；麦克风12记录实验动物发出的音频信号；运动记录装置13记录实验动物的运动轨迹信息；显微镜与神经电极14记录实验动物细胞信号；触觉记录装置记录小鼠舌头的响应位置。
另外，上述信号可以通过网络电缆或者无线网络信号传递给服务器。
步骤S2：服务器模块接收本地信息模块10采集数据后转化为指令，传递给移动驱动模块20，驱动移动端(如移动平台)的运动。
可选地，服务器通过有线或者无线网络发送给移动驱动小车21运动信号，其中可包含运动速度和偏转角度；服务器通过有线或者无线网络发送给扬声器22音频信号。
步骤S3：移动信息采集模块30接收周围信号，传输给服务器模块。
可选地，摄像机31采集周围环境视频信号；麦克风32采集周围环境音频信号；单片机和其他传感器33中采集移动平台是否与边界碰撞并处理。
步骤S4：服务器模块接收移动信息采集数据后转化为指令，传递给本地驱动模块40，将刺激作用于实验动物。
可选地，显示器41将视觉刺激作用于实验动物；扬声器42将听觉刺激作用于实验动物；电击装置43和触觉反馈装置44将触觉刺激做用于实验动物不同部位；味觉反馈装置45将味觉刺激做用于实验动物不同部位；神经电极和光遗传刺激将电流刺激做用于实验动物的神经元。
其中，将本地端的模块和实验动物固定于移动平台上，可以在虚拟现实实验开展前进行实验动物的环境适应。
进一步地，在动物迷宫实验中，移动平台放置在真实迷宫环境中进行，并且在动物社交实验中，移动平台可设计为模仿实验动物的外壳。
根据本发明实施例的动物实验的虚拟现实系统，通过本地端和移动端的实时通信，创建了一种有效、快速的固定动物的行为学实验范式；能够经济高效地扩展现有测量仪器的功能，具有实现行动小鼠高精度生理参数测量的能力。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的动物实验的虚拟现实方法。
图5是本发明一个实施例的动物实验的虚拟现实方法的流程图。
如图5所示，该动物实验的虚拟现实方法采用上述的系统，其包括以下步骤：
步骤S501：采集实验动物的生理和行为状态。
步骤S502：根据实验动物的生理和行为状态生成移动驱动模块的控制指令，以驱动移动平台的运动。
步骤S503：采集周围信号。
步骤S504：根据周围信号生成本地驱动模块的控制指令，以将刺激作用于实验动物。
需要说明的是，前述对动物实验的虚拟现实系统实施例的解释说明也适用于该实施例的动物实验的虚拟现实方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例的动物实验的虚拟现实方法，通过本地端和移动端的实时通信，创建了一种有效、快速的固定动物的行为学实验范式；能够经济高效地扩展现有测量仪器的功能，具有实现行动小鼠高精度生理参数测量的能力。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种动物实验的虚拟现实系统，其特征在于，包括：
本地驱动模块，用于将刺激作用于实验动物；
本地信息采集模块，用于采集所述实验动物的生理和行为状态；
移动驱动模块，用于驱动移动平台的运动；
移动信息采集模块，用于采集周围信号；以及
服务器模块，用于根据所述实验动物的生理和行为状态生成所述移动驱动模块的控制指令，以驱动所述移动平台的运动，并且根据所述周围信号生成所述本地驱动模块的控制指令，以将刺激作用于所述实验动物。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述本地信息采集模块包括：
姿态摄像头，用于记录所述动物不同部位的姿态信息和面部表情信息；
第一麦克风，用于记录所述动物发出的声音信息；
运动记录装置，用于记录所述动物的运动轨迹；
显微镜和神经电极，用于记录所述动物的神经元信号；
触觉记录装置，用于记录所述动物舌头接触位置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述本地驱动模块包括：
显示器，用于给予所述动物视觉刺激；
扬声器，用于给予所述动物听觉刺激；
电击装置和触觉反馈装置，用于给予所述动物触觉刺激；
味觉反馈装置，用于给予所述动物味觉刺激。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述移动驱动模块包括：
智能小车平台，用于按照所述动物的运动轨迹移动所述移动平台；
扬声器，用于对外界播放所述动物的发出声音。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述移动信息采集模块包括：
摄像机，用于记录所述移动平台周围环境视频信息；
第二麦克风，用于记录所述移动平台周围环境声音信息；
至少一个传感器，用于记录所述移动平台周围环境的环境信息；
单片机，用于处理所述视频信息、所述声音信息和所述环境信息。
6.一种动物实验的虚拟现实方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的系统，其中，方法包括以下步骤：
采集实验动物的生理和行为状态；
根据所述实验动物的生理和行为状态生成所述移动驱动模块的控制指令，以驱动所述移动平台的运动；
采集周围信号；以及
根据所述周围信号生成所述本地驱动模块的控制指令，以将刺激作用于所述实验动物。
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